Spośród szerokiej gamy opracowywanych technologii akumulatorów nowej generacji, anody krzemowe są jedną z najbardziej obiecujących dróg poprawy parametrów akumulatorów litowo-jonowych. Anody krzemowe mogą zapewnić gęstość energii akumulatorów litowo-jonowych powyżej 1000 Wh/l i 400 Wh/kg, przy jednoczesnej poprawie wydajności i czasu ładowania. Osiągnięcie długoterminowej stabilności cyklu było jednak poważnym wyzwaniem ze względu na proces litowania powodujący rozrost krzemu. Mimo niezłych wyników uzyskiwanych już dziś, nadal opracowywane są nowe technologie anod krzemowych, które mają na celu poprawę wydajności akumulatorów przy jednoczesnym przezwyciężeniu słabej żywotności typowej dla krzemowych materiałów anodowych. Raport IDTechEx „Silicon Anode Battery Technologies and Markets 2025-2035: Players, Technologies, Applications, Markets, Forecasts” zawiera dogłębną analizę i omówienie technologii anod krzemowych, rynku anod krzemowych oraz kluczowych graczy i start-upów.

Opracowywane i komercjalizowane są różne technologie krzemowych materiałów anodowych, aby umożliwić ich szersze zastosowanie przy wyższych udziałach wagowych. Źródło: IDTechEx – zaadaptowane z Group14 Technologies, FIC Advanced Materials, Daejoo Electronic Materials, Amprius, E-magy

Anody z tlenku krzemu (SiO_x)

Matryca tlenkowa pomaga złagodzić rozszerzalność objętościową krzemu, która jest również mniej drastyczna niż w przypadku czystego materiału krzemowego. Jest to więc bardziej trwała alternatywa dla czystego krzemu. Materiały SiOx mogą również tworzyć bardziej stabilną warstwę SEI (stała interfaza elektrolitu) korzystnie wpływającą na ograniczenie rozkładu elektrolitu, a także działającą jak bufor dla rozszerzalności objętościowej. Ze względu na te zalety, materiały SiOx są już wykorzystywane komercyjnie, w tym w akumulatorach pojazdów elektrycznych. Do takich zastosowań SiOx może być dodawany jako dodatek do anod grafitowych. Materiały SiOx mają jednak niską początkową wydajność kulombowską, co może ograniczać żywotność akumulatora i powodować trudności w projektowaniu ogniw. Stosunkowo niska jest również przewodność tlenków krzemu. Ogranicza to wydajność i czas ładowania. Sposoby na przezwyciężenie tego problemu obejmują stosowanie domieszek metali, technik wstępnego litowania i powłok węglowych. Firmy takie jak Daejoo Electronic Materials opracowują materiały z tlenku krzemu o wyższej wydajności i szybkości ładowania.

Kompozyty krzemowo-węglowe i krzemowo-grafitowe

Kompozyty krzemowo-węglowe mają na celu zrównoważenie wysokiej wydajności krzemu ze stabilizującym materiałem węglowym. Materiały te często zawierają krzem w porowatej strukturze węglowej, zwiększając przewodność i zapewniając przestrzeń dla rozszerzenia objętości krzemu. Materiały te można następnie mieszać z konwencjonalnym materiałem anody grafitowej. Co ważne, lepsza stabilność oferowana przez kompozyty krzemowo-węglowe pozwala również na ich stosowanie przy wyższych wartościach procentowych masy, przy jednoczesnym zachowaniu dobrej żywotności. Wiele firm opracowuje kompozycje, w których węgiel krzemowy stanowi większość materiału aktywnego anody, a materiały te są obecnie komercjalizowane. Na przykład kompozyty Group14 Technologies zostały wdrożone w smartfonach, a materiał Sila Nano został również wykorzystany w konsumenckich urządzeniach elektronicznych. Wymagania dotyczące wydajności i kwalifikacji pojazdów elektrycznych są jednak bardziej rygorystyczne niż w przypadku urządzeń elektronicznych. Oferowane korzyści w zakresie gęstości energii i szybkiego ładowania, w połączeniu z coraz większą liczbą dowodów na odpowiednią żywotność, sprawiają, że te kompozyty krzemowo-węglowe są atrakcyjną propozycją do zastosowania w pojazdach elektrycznych w perspektywie krótko- i średnioterminowej.

Anody w 100% krzemowe

Materiały SiOx, Si-C i Si-Gr mogą pomóc przezwyciężyć kluczowe wady krzemu związane z ich niską żywotnością. Jednak ograniczają one również ilość użytego aktywnego materiału krzemowego, ograniczając w ten sposób ogólną korzyść gęstości energii krzemu. Jedno z podejść do maksymalizacji ilości aktywnego materiału krzemowego opiera się na wykorzystaniu CVD do osadzania nanodrutów i struktur krzemowych bezpośrednio na foliach kolektora prądu. Zorientowana struktura krzemowa i połączenie z kolektorem prądu może zmaksymalizować gęstość energii i zwiększyć wydajność, chociaż materiały te mogą nadal cierpieć z powodu słabej stabilności i oczekuje się, że będą drogie w krótkim okresie. Inne firmy badają drogi do produkcji nanostrukturalnych proszków krzemowych z tańszych surowców i metod. W przypadku tych materiałów, powłoka, spoiwo, elektrolit i konstrukcja ogniwa będą miały kluczowe znaczenie dla zapewnienia odpowiedniej żywotności i stabilności.

Wnioski

Technologia anody krzemowej jest kluczowym elementem w rozwoju akumulatorów litowo-jonowych, oferując potencjał wyższej gęstości energii, wyższej mocy i szybszego ładowania akumulatorów. Podczas gdy tlenki krzemu i kompozyty krzemowo-węglowe, zmieszane z grafitowym materiałem anodowym, zapewniają krótkoterminowe ulepszenia o zwiększonej stabilności cyklu, anody o wysokiej zawartości krzemu i 100% krzemu stanowią ostateczny cel dla wielu dostawców. Ciągłe badania i innowacje w zakresie projektowania materiałów, demonstrowania możliwości produkcyjnych i kosztów, a także konkurencja i popyt ze strony użytkowników końcowych, określą, jak szybko technologie te mogą zostać skomercjalizowane i zintegrowane z głównym nurtem zastosowań akumulatorów.

Nowy raport IDTechEx „Silicon Anode Battery Technologies and Markets 2025-2035: Players, Technologies, Applications, Markets, Forecasts” zawiera analizę różnych technologii anod krzemowych i porównuje wydajność zgłaszaną przez różnych producentów anod. Prognozy dla rynku anod krzemowych przedstawiono w podziale na technologie krzemowe (z dodatkiem krzemu, średniokrzemowe, wysokokrzemowe), zastosowania (samochody elektryczne na baterie, komercyjne pojazdy elektryczne i urządzenia elektroniczne) oraz regiony (Chiny, USA, Europa, cały świat).

Źródło: IDTechEX